Analyse und Parametrisierung von Landnutzungseigenschaften zur Modellierung von Abfluss, Bodenerosion und Sedimentation im Einzugsgebiet des Wahnbachs (Bergisches Land)

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden Abfluss-, Bodenerosions- und Sedimentationsprozesse im Wahnbach Einzugsgebiet (54 km², Bergisches Land) mit Hilfe prozessbasierter, räumlich differenzierter Modelle analysiert. Neben dem Gesamteinzugsgebiet fokussieren die Untersuchungen räumlich auf die Teileinzugsgebiete Berrensiefen (28 ha) und Steinersiefen (21 ha), die für Detailstudien ausgewählt wurden und sich hinsichtlich ihrer bestimmenden Landnutzungsweise unterscheiden.<br /> Ziel der Arbeit ist die Anwendbarkeit prozessbasierter Bodenerosionsmodelle als Werkzeuge im Einzugsgebietsmanagement zu verbessern und durch die Anwendung einen Beitrag zur Entschärfung und Lösung von Nutzungskonflikten im Wahnbach Einzugsgebiet zu leisten. Neben der Ausweisung von abfluss-, bodenerosions- und sedimentationsgefährdeten Bereichen werden dafür erweiterte Modellparametrisierungen zu Landnutzungseigenschaften erarbeitet und erprobt und damit die differenzierte Berücksichtigung von Mustern und Strukturen der Landnutzung ermöglicht. In dieser Arbeit wird das kontinuierlich arbeitende Wasserhaushaltssimulationsmodell WaSiM-ETH mit dem ereignisbasierten Limburger Bodenerosionsmodell LISEM mit dem Ziel gekoppelt, die Ergebnissicherheit der Bodenerosionsmodellierungen zu verbessern.<br /> Durch eine umfassende Wasserhaushaltsanalyse im Vorfeld der Bodenerosionsmodellierungen konnte die Bodenfeuchte in ihrer räumlichen Verteilung als sensitiver systemarer Anfangszustand für die ereignisbasierten Bodenerosionsmodellierungen hinreichend genau beschrieben werden. Die räumliche Verteilung der simulierten Bodenfeuchte wird neben Relief- und Bodeneigenschaften maßgeblich durch die Vegetation beeinflusst und schwankt deshalb im Jahresverlauf beträchtlich. Um abschwemmungsgefährdete Bereiche zu identifizieren, ist die mit der Wasserhaushaltsanalyse verbundene Abflussanalyse für das Einzugsgebietsmanagement von hoher praktischer Relevanz. Die Ergebnisse der Abflussanalyse zeigen, dass nicht bewaldete Kuppenbereiche im oberen Teil des Einzugsgebietes, wo die Niederschläge besonders hoch sind, am meisten durch Oberflächenabfluss gefährdet sind.<br /> Über eine Sensitivitätsanalyse konnten für LISEM sensitive Parameter identifiziert werden, denen bei der Parametrisierung hohe Aufmerksamkeit geschenkt wurde. Jedoch wurde für keinen der untersuchten Parameter ein Optimumbereich gefunden, weshalb das Modell nicht kalibriert wurde. Die hohe räumliche Heterogenität von Landnutzungs- und Bodeneigenschaften im Wahnbach Einzugsgebiet wird als Grund hierfür angesehen. Die Bodenerosionsanalysen erfolgen deshalb mit einem unkalibrierten Modell. Die Modellergebnisse belegen auch ohne Kalibrierung eine plausible Prozessbeschreibung durch LISEM. Gemessene Schwebstoffausträge konnten zufriedenstellend simuliert werden. Die simulierten Muster von Bodenerosion und Sedimentation konnten über Feldbefunde qualitativ bestätigt werden.<br /> Da im Gebiet Grünlandnutzung dominiert und diese durch den hohen Bodenbedeckungsgrad wirkungsvoll vor Bodenerosion schützt, wurden nur lokal auf stärker geneigten Hängen und Ackerflächen bedeutende Bodenerosionsbeträge simuliert. Der Vergleich mit den räumlich höher aufgelösten Modellen der Teileinzugsgebiete zeigt, dass durch das räumliche Aggregieren von Landnutzungs- und Reliefeigenschaften kleinräumige Ackerschläge und schmale Grabenstrukturen, die oftmals lokale Schwerpunkte für Bodenerosion darstellen, auf der Skala des Wahnbach Einzugsgebietes verloren gehen. Die simulierte gebietsinterne Bodenerosion übersteigt den Sedimentaustrag um ein Vielfaches. Sedimentation und die damit verbundene Gefahr von off-site Schäden werden im Gegensatz zur Bodenerosion für größere Gebietsanteile simuliert. Vor allem Auenbereiche und Flussläufe sind durch Sedimentation gefährdet. Auf den Hängen sind Sedimentationsbereiche meist an einem Wechsel der Landnutzung gebunden.<br /> Die erweiterte Berücksichtigung von Landnutzungsmustern basiert auf Messungen zur Lagerungsdichte und gesättigten Wasserleitfähigkeit auf Weiden und Schnittweiden im Untersuchungsgebiet. Auf Schnittweiden wurden höhere Lagerungsdichten und infolge dessen reduzierte gesättigte Wasserleitfähigkeiten als auf Weiden gemessen. Durch die Berücksichtigung der gemessenen Unterschiede bei der Parametrisierung konnte der Einfluss von Weiden und Schnittweiden auf die Wasser- und Stoffdynamik differenziert modelliert werden. Durch die Berücksichtigung von Straßen und Wegen auf die Abflusskonzentration konnten die Aussagefähigkeit der Bodenerosionsmodellierungen um Einflüsse durch Landnutzungsstrukturen erweitert werden, die zuvor nicht abgebildet werden konnten. Die Ergebnisse zeigen, dass Straßen und Wege mancherorts den Oberflächenabfluss konzentrieren und dadurch die Bodenerosion verstärken können, anderenorts aber auch als Abflussbarrieren und Sedimentfallen fungieren.<br /> Durch Szenarienrechungen mit realen Landnutzungszuständen konnte eine Erhöhung von Bodenerosion und Sedimentation durch zunehmenden Ackerbau nachgewiesen und die Wirkung von zwei Erosionsschutzmaßnahmen (Mulchverfahren und Grünstreifen) demonstriert werden. Das Mulchverfahren wird günstiger als die Grünstreifenvariante bewertet, da im Gegensatz zu Grünstreifen durch das Mulchverfahren die Bodenerosion auf dem Acker wirksam reduziert wird. Zur Bewertung der Wirkung von Erosionsschutzmaßnahmen hat sich LISEM durch den räumlich differenzierten Ansatz bewährt. Durch die differenzierte Modellierung von Landnutzungsmustern und Strukturen konnte die Aussagefähigkeit des Bodenerosionsmodells erweitert und damit die Anwendbarkeit als Werkzeug für das Einzugsgebietsmanagement verbessert werden.